Proteorhodopsin – Wikipedia

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Proteorhodopsin (auch bekannt als pRhodopsin) ist eine Familie von über 50 photoaktiven Retinylidenproteinen, eine größere Familie von Transmembranproteinen, die die Netzhaut als Chromophor für die lichtvermittelte Funktionalität verwenden, in diesem Fall eine Protonenpumpe. Einige Homologe existieren als Pentamere oder Hexamere.[clarification needed] pRhodopsin kommt in marinen planktonischen Bakterien, Archaeen und Eukaryoten (Protae) vor, wurde jedoch erstmals in Bakterien entdeckt.[1][2][3][4]

Sein Name leitet sich von Proteobakterien ab, die nach dem altgriechischen Πρωτεύς (Proteus) benannt sind, einem frühen Meeresgott, der von Homer als “alter Mann des Meeres”, Ῥόδος (rhódon) für “Rose” aufgrund seiner rosa Farbe und ὄψις erwähnt wurde (Opsis) für “Sehen”. Einige Familienmitglieder, homologe Rhodopsin-ähnliche Pigmente, dh Bakteriorhodopsin (von denen es mehr als 800 Typen gibt), haben sensorische Funktionen wie Opsine, die für die visuelle Phototransduktion von wesentlicher Bedeutung sind. Viele dieser sensorischen Funktionen sind unbekannt – zum Beispiel die Funktion von Neuropsin in der menschlichen Netzhaut.[5] Es ist bekannt, dass Mitglieder unterschiedliche Absorptionsspektren aufweisen, einschließlich grünem und blauem sichtbarem Licht.[6][7][8][9][10][11]

Entdeckung[edit]

Proteorhodopsin (PR oder pRhodopsin) wurde erstmals im Jahr 2000 in einem bakteriellen künstlichen Chromosom aus zuvor nicht kultivierten marinen γ-Proteobakterien entdeckt, auf das immer noch nur in den metagenomischen Ribotypdaten SAR86 Bezug genommen wird. Die Forschung war eine Kooperation zwischen vier Parteien: Oded Beja, Marcelino T. Suzuki und Edward F. DeLong vom Monterey Bay Aquarium Research Institute (Mosslanding, CA), L. Aravind und Eugene V Koonin vom Nationalen Zentrum für biotechnologische Informationen ( Bethesda, MD), Andrew Hadd, Linh P. Nguyen, Stevan B. Jovanovich, Christian M. Gates und Rober A Feldman von Molecular Dynamics (Sunnyvale, CA) und schließlich John und Elena Spudich von der Abteilung für Mikrobiologie und Molekulargenetik am Health Science Center der Universität von Texas in Houston. Es wurde gefunden, dass mehr Arten von γ-Proteobakterien, sowohl grampositive als auch negative, das Protein exprimieren.[1]

Verteilung[edit]

Proben von Proteorhodopsin exprimierenden Bakterien wurden aus dem östlichen Pazifik, dem zentralen Nordpazifik und dem südlichen Ozean in der Antarktis erhalten.[12] Anschließend wurden Gene von Proteorhodopsin-Varianten in Proben aus dem Mittelmeerraum, dem Roten Meer, dem Sargassosee, dem Japanischen Meer und der Nordsee identifiziert.[4][6]

Proteorhodopsin-Varianten werden nicht zufällig verteilt, sondern verteilen sich entlang von Tiefengradienten basierend auf der maximalen Absorptionsabstimmung der jeweiligen Holoproteinsequenz; Dies ist hauptsächlich auf die elektromagnetische Absorption durch Wasser zurückzuführen, die Wellenlängengradienten relativ zur Tiefe erzeugt. Oxyrrhis Marina ist ein Dinoflagellat-Protist mit grün absorbierendem Proteorhodopsin (ein Ergebnis der L109-Gruppe), das hauptsächlich in Flachwasserbecken und Ufern vorkommt, wo noch grünes Licht verfügbar ist. Karlodinium micrum, ein weiteres Dinolagelat, exprimiert ein blau abgestimmtes Proteorhodopsin (E109), das möglicherweise mit seinen vertikalen Wanderungen im tiefen Wasser zusammenhängt.[3] Ursprünglich wurde angenommen, dass O.Marina ein Heterotroph ist, jedoch kann das Proteorhodopsin durchaus in funktionell signifikanter Weise beteiligt sein, da es das am häufigsten exprimierte Kerngen war und darüber hinaus ungleichmäßig im Organismus verteilt ist, was auf eine gewisse Organellenmembranfunktion hindeutet. Zuvor waren Photosystem I und Photosystem II die einzigen eukaryotischen Proteine, die Sonnenenergie übertragen. Es wurde angenommen, dass der laterale Gentransfer die Methode ist, mit der Proteorhodopsin in zahlreiche Phyla gelangt ist. Bakterien, Archea und Eukarya besiedeln alle die photische Zone, in der sie ans Licht kommen. Proteorhodopsin konnte sich durch diese Zone verbreiten, jedoch nicht in andere Teile der Wassersäule.[3][4][9][13][14]

Taxonomie[edit]

Proteorhodopsin gehört zu einer Familie ähnlicher Retinylidenproteine, die den archealen Homologen Halorhodopsin und Bakteriorhodopsin am ähnlichsten sind. Sensorisches Rhodopsin wurde 1876 von Franz Christian Boll entdeckt.[11][15] Bacteriorhodopsin wurde 1971 entdeckt und 1973 benannt und ist derzeit nur in der Archea-Domäne bekannt, nicht in Bakterien.[16] Halorhodopsin wurde erstmals 1977 entdeckt und benannt.
[17] Bacteriorhodopsin und Halorhodopsin existieren beide nur in der Archea-Domäne, während Proteorhodopsin Bakterien, Archea und Eukaryoten umfasst. Proteorhodopsin teilt sieben transmembrane α-Helices, die über einen Schiff-Basenmechanismus kovalent an einen Lysinrest in der siebten Helix (Helix G) gebunden sind. Bacteriorhodopsin ist wie Proteorhodopsin eine lichtgetriebene Protonenpumpe. Sensorisches Rhodopsin ist ein G-gekoppeltes Protein, das am Sehen beteiligt ist.[1][17]

Aktive Seite[edit]

2L6x In-Active-Site-Cartoon-Farbcodierung und -beschriftete Visualisierung, D- und E-Helices, versteckt für Aussicht, Bindungsstelle des retinalen Liganden

Im Vergleich zu seinem bekannteren archaealen Homologen Bakteriorhodopsin sind die meisten Reste des aktiven Zentrums, die für den Bakteriorhodopsin-Mechanismus von bekannter Bedeutung sind, in Proteorhodopsin konserviert. Die Sequenzähnlichkeit ist jedoch weder von Halo- noch von Bakterio-Rhodopsin signifikant erhalten. Homologe der Reste des aktiven Zentrums Arg82, Asp85 (der primäre Protonenakzeptor), Asp212 und Lys216 (die retinale Schiff-Base-Bindungsstelle) in Bakteriorhodopsin sind als Arg94, Asp97, Asp227 und Lys231 in Proteorhodopsin konserviert. In Proteorhodopsin gibt es jedoch keine Carbonsäurereste, die direkt homolog zu Glu194 oder Glu204 von Bakteriorhodopsin (oder Glu 108 und 204, abhängig von der bacRhodopsin-Variante) sind, von denen angenommen wird, dass sie am Protonenfreisetzungsweg an der extrazellulären Oberfläche beteiligt sind. Asp97 und Arg94 können diese Funktionalität jedoch ohne die enge Restnähe wie bei Bakteriorhodopsin ersetzen. Die Abteilung für Chemie an der Syracuse University zeigte eindeutig, dass Asp97 nicht die Protonenfreisetzungsgruppe sein kann, da die Freisetzung unter Zwangsbedingungen erfolgte, unter denen die Asparaginsäuregruppe protoniert blieb.[18][19][20][21]

Visualisierung des retinal gebundenen aktiven Zentrums der 2L6X-Proteinstruktur von pRhodopsin, Reste farbcodiert und durch Aktivität markiert, Ligand ist orange.

Die Rhodopsin-Haloproteinfamilie teilt den Liganden Retinal, Vitamin A-Aldehyd, eine der vielen Arten von Vitamin A. Retinal ist ein konjugiertes mehrfach ungesättigtes Chromophor (Polyen), das aus fleischfressender Nahrung oder über den Carotinweg (β-Carotin 15,15) gewonnen wird ‘-monoxygenase).

Funktion[edit]

Proteorhodopsin fungiert in allen Ozeanen der Erde als lichtgetriebene H + -Pumpe nach einem ähnlichen Mechanismus wie Bakteriorhodopsin. Wie bei Bakteriorhodopsin ist das retinale Chromophor von Proteorhodopsin über eine protonierte Schiff-Base bei Lys231 kovalent an das Apoprotein gebunden. Die Konfiguration des retinalen Chromophors in nichtphotolysiertem Proteorhodopsin ist überwiegend all-trans[18]

und isomerisiert bei Beleuchtung mit Licht zu 13-cis. Es wurden mehrere Modelle des vollständigen Proteorhodopsin-Photozyklus vorgeschlagen, die auf FTIR- und UV-sichtbarer Spektroskopie basieren. Sie ähneln etablierten Photozyklusmodellen für Bakteriorhodopsin.[18][20][21][22] In E. coli wurden vollständige Proteorshodopsin-basierte Photosysteme entdeckt und exprimiert, die ihnen zusätzliche lichtvermittelte Energiegradienten für die ATP-Erzeugung verleihen, ohne dass externe Netzhaut oder Vorläufer erforderlich sind. Mit der PR kodieren fünf weitere Proteine ​​für den Biosyntheseweg des Photopigments.[23]

Gentechnik[edit]

Wenn das Gen für Proteorhodopsin in eingefügt wird E coli und diesen modifizierten Bakterien wird eine Netzhaut verabreicht, dann bauen sie das Pigment in ihre Zellmembran ein und pumpen H + in Gegenwart von Licht. Ein tiefes Purpur steht aufgrund der Lichtabsorption für klar transformierte Kolonien. Protonengradienten können verwendet werden, um andere Membranproteinstrukturen anzutreiben oder um eine Organelle vom Vesikeltyp anzusäuern.[1] Es wurde ferner gezeigt, dass der durch Proteorhodopsin erzeugte Protonengradient zur Erzeugung von ATP verwendet werden kann.[23]

Galerie[edit]

  • Holoenzym (grün) mit Helices AG-markiert (lila) sowie Retinalligand (orange)

  • Oberflächenvisualisierung von Proteorhodopsin mit Terminals

  • Visualisierung des retinal gebundenen aktiven Zentrums der 2L6X-Proteinstruktur von pRhodopsin, Reste farbcodiert und durch Aktivität markiert, Ligand ist orange.

  • 2L6x In-Active-Site-Cartoon-Farbcodierung und -beschriftete Visualisierung, D- und E-Helices, versteckt für Aussicht, Bindungsstelle des retinalen Liganden

Verweise[edit]

  1. ^ ein b c d Béjà O, Aravind L., Koonin EV, Suzuki MT, Hadd A., Nguyen LP, Jovanovich SB, Gates CM, Feldman RA, Spudich JL, Spudich EN, DeLong EF (September 2000). “Bakterielles Rhodopsin: Hinweise auf eine neue Art der Phototrophie im Meer”. Wissenschaft. 289 (5486): 1902–6. Bibcode:2000Sci … 289.1902B. doi:10.1126 / science.289.5486.1902. PMID 10988064.
  2. ^ Lin S., Zhang H., Zhuang Y., Tran B., Gill J. (November 2010). “Gespleißte führerbasierte metatranskriptomische Analysen führen zur Erkennung versteckter genomischer Merkmale in Dinoflagellaten.”. Verfahren der National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten von Amerika. 107 (46): 20033–8. Bibcode:2010PNAS..10720033L. doi:10.1073 / pnas.1007246107. PMC 2993343. PMID 21041634.
  3. ^ ein b c Slamovits CH, Okamoto N., Burri L., James ER, Keeling PJ (2011). “Eine bakterielle Proteorhodopsin-Protonenpumpe in marinen Eukaryoten”. Naturkommunikation. 2 (2): 183. Bibcode:2011NatCo … 2E.183S. doi:10.1038 / ncomms1188. PMID 21304512.
  4. ^ ein b c Frigaard NU, Martinez A, Fleischwolf TJ, DeLong EF (Februar 2006). “Proteorhodopsin lateraler Gentransfer zwischen marinen planktonischen Bakterien und Archaea”. Natur. 439 (7078): 847–50. Bibcode:2006Natur.439..847F. doi:10.1038 / nature04435. PMID 16482157.
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  6. ^ ein b Béjà O, Spudich EN, Spudich JL, Leclerc M, DeLong EF (Juni 2001). “Proteorhodopsin-Phototrophie im Ozean”. Natur. 411 (6839): 786–9. doi:10.1038 / 35081051. PMID 11459054.
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